應(yīng)用響應(yīng)面法優(yōu)化木絲增強(qiáng)石膏復(fù)合板的制備工藝1)

曹旭東 艾文兵 母軍

(木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083)

我國(guó)建筑業(yè)產(chǎn)業(yè)巨大，發(fā)展迅速。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2020年，全國(guó)建筑業(yè)總產(chǎn)值達(dá)263 947億元，同比增長(zhǎng)6.2%，全國(guó)建筑業(yè)房屋建筑施工面積149.5億m2，同比增長(zhǎng)3.7%[1]。但建筑業(yè)發(fā)展仍面臨能耗過高、能效過低等問題，開發(fā)“綠色建筑材料”已成為重要發(fā)展趨勢(shì)之一。

石膏板因其輕質(zhì)、隔音、阻燃等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于商業(yè)地產(chǎn)、建筑隔墻等領(lǐng)域[2]。但應(yīng)用中存在抗折強(qiáng)度低、握螺釘力小等問題，并且石膏堆存也對(duì)環(huán)境存在巨大隱患。因此開發(fā)石膏基的綠色材料是提高綜合利用率的必由之路[3]。天然纖維來源廣泛、綠色無污染，韌性和強(qiáng)度高，物理力學(xué)性能優(yōu)良[4]；石膏基質(zhì)中加入天然纖維可有效提升石膏板綜合性能[5]。因此，針對(duì)天然纖維增強(qiáng)石膏板的制備工藝問題已進(jìn)行了大量基礎(chǔ)性研究，并就增強(qiáng)材料層面物理力學(xué)性能的研究取得了較多成果[6-9]。但針對(duì)天然纖維增強(qiáng)石膏復(fù)合材料的研究較多集中在基礎(chǔ)性層面，關(guān)于綜合多元非線性回歸擬合分析與復(fù)合材料握螺釘力、抗折強(qiáng)度等建筑性能的研究較少。為此，本研究以檸檬酸溶液、脫硫建筑石膏粉、樺木木絲為原料制備木絲增強(qiáng)石膏復(fù)合板，參照有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定制備樣品的力學(xué)強(qiáng)度；應(yīng)用響應(yīng)面發(fā)優(yōu)化試驗(yàn)，構(gòu)建二次多項(xiàng)式回歸模型，分析水膏比(m(水)∶m(石膏粉)-木絲添加量-檸檬酸添加量體系中三者間交互作用對(duì)板材抗折強(qiáng)度和握螺釘力的影響，遴選3種原料的優(yōu)化配比。旨在為木絲增強(qiáng)脫硫石膏復(fù)合材料實(shí)際應(yīng)用中的制備工藝提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用脫硫建筑石膏粉由北新建材集團(tuán)涿州石膏廠提供，主要成分為半水石膏，初凝時(shí)間44 s，終凝時(shí)間130 s。樺木木絲，含水率為3.94%，長(zhǎng)度(50±5)mm、寬度(0.90±0.05)mm、厚度(0.46±0.02)mm，秦皇島裕源木業(yè)有限公司提供。一水合檸檬酸，分析純，購(gòu)自北京化工廠。用X射線熒光光譜儀(XRF)測(cè)試脫硫建筑石膏的化學(xué)成分組成及元素組成(見表1)，脫硫建筑石膏的主要成分為CaO，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40.7%。

表1 脫硫建筑石膏主要化學(xué)成分及元素組成

1.2 木絲石膏板樣品制備的響應(yīng)面中心復(fù)合表面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取水膏比(m(水)∶m(石膏粉))、木絲添加量(按照添加木絲質(zhì)量比例計(jì)算，即添加木絲的質(zhì)量占總體混合物質(zhì)量的比例——木絲質(zhì)量分?jǐn)?shù))、檸檬酸添加量(按照質(zhì)量比計(jì)算，即添加檸檬酸的質(zhì)量占總體混合物質(zhì)量的比例——檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù))為影響因素，以抗折強(qiáng)度和握螺釘力為評(píng)價(jià)指標(biāo)(響應(yīng)值)。借鑒已有相關(guān)研究成果，確定3個(gè)影響因素的3個(gè)梯度值(見表2)；采用設(shè)計(jì)專家(Design-Export)軟件中心復(fù)合表面設(shè)計(jì)(CCF)方法設(shè)計(jì)了20組試驗(yàn)。

表2 木絲石膏板樣品響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

將檸檬酸溶液、按照水膏比(m(水)∶m(石膏粉))制備的脫硫建筑石膏粉水石膏、木絲按質(zhì)量比混合攪拌至均勻，倒入300 mm×300 mm× 12 mm的自制模具中制樣。在石膏初凝前將混合漿料放入冷壓機(jī)冷壓，壓力2.5 MPa，待石膏水化結(jié)束后將試件放置在烘箱內(nèi)40 ℃干燥48 h至恒質(zhì)量，制得樣品冷卻至室溫。

1.3 木絲石膏板樣品性能的測(cè)試方法

應(yīng)用MMW-50微機(jī)控制人造板萬能試驗(yàn)機(jī)，參照LY/T 1598—2011《石膏刨花板》、GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》，測(cè)試木絲石膏板樣品的力學(xué)強(qiáng)度。采用日本Hitachi Limited公司S-3400N II型掃描電子顯微鏡(放大倍數(shù)為1 000倍)，測(cè)試木絲石膏板樣品的微觀形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 木絲增強(qiáng)石膏復(fù)合板的抗折強(qiáng)度

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)測(cè)定制備木絲石膏板樣品的力學(xué)性能的試驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值(見表3)。抗折強(qiáng)度是材料單位面積承受彎矩時(shí)的極限折斷應(yīng)力。利用設(shè)計(jì)專家(Design-Export)軟件對(duì)表3抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析(見表4)。

表3 木絲石膏復(fù)合板響應(yīng)面法的試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)(表3)

由表4可見：二次方程的相關(guān)系數(shù)(R2)為0.969 0，三次方程的相關(guān)系數(shù)(R2)為0.993 6。雖然三次方程的相關(guān)系數(shù)更高，但二次方程的校正相關(guān)系數(shù)和預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)更為接近，且預(yù)測(cè)誤差平方和值更小，因此選用二次方程擬合構(gòu)建木絲石膏復(fù)合板的抗折強(qiáng)度模型：Y=16.998 06-21.186 87A+0.157 73B-41.786 36C-0.154 17AB+27.500 00AC-0.675 00BC+7.676 77A2+0.004 909 09B2+16.363 64C2。式中：Y為抗折強(qiáng)度；A為水膏比(m(水)∶m(石膏粉))；B為木絲添加量；C為檸檬酸添加量。

表4 木絲石膏復(fù)合板的抗折強(qiáng)度模型統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

由表5可見：回歸模型的F值為34.71(P<0.01)，說明模型呈極顯著性且可信度高，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；模型各因素間交互作用的顯著性，由大到小依次為A×B、A×C、B×C。

表5 木絲石膏復(fù)合板的抗折強(qiáng)度方差分析結(jié)果

由圖1(a)可見，實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的點(diǎn)基本分布在一條直線上，表明兩者擬合程度較高；由圖1(b)可見，殘差在零附近隨機(jī)分布，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布分散無規(guī)律，說明擬合效果較好；由圖1(c)可見，殘差的正態(tài)概率分布基本為一條直線，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻，說明殘差符合正態(tài)分布。這說明模型相關(guān)性和契合度高，擬合效果好，可用于優(yōu)化分析材料的抗折強(qiáng)度。

由圖2可見，二維等高線圖均呈橢圓形，反映了“水膏比(m(水)∶m(石膏粉))和木絲添加量”、“木絲添加量和檸檬酸添加量”、“水膏比(m(水)∶m(石膏粉))和檸檬酸添加量”3組因素之間的交互作用顯著。三維響應(yīng)曲面可以直觀描述兩因素交互作用與響應(yīng)值的關(guān)系[10]。由圖2(a)可見，降低水膏比(m(水)∶m(石膏粉))的同時(shí)增加木絲量，材料的抗折強(qiáng)度增大；由圖2(b)可見，降低檸檬酸添加量的同時(shí)增加木絲添加量，材料的抗折強(qiáng)度增大；由圖2(c)可見，抗折強(qiáng)度隨著水膏比(m(水)∶m(石膏粉))和檸檬酸的添加量增大而減小。

分析其原因可知，水膏比(m(水)∶m(石膏粉))的增加會(huì)降低脫硫建筑石膏的密度，同時(shí)固化后的材料所存留的水會(huì)在材料干燥過程中揮發(fā)，在石膏中留下孔隙，從而影響材料的抗折強(qiáng)度。木絲本身具有較高的抗拉強(qiáng)度，增大其用量可以形成交聯(lián)網(wǎng)狀互鎖結(jié)構(gòu)[9]，另一方面是木絲表面能夠與石膏粘黏，從而起到增強(qiáng)作用。檸檬酸作為緩凝劑能夠改變石膏晶體形貌和生長(zhǎng)習(xí)性，其作用為有效延長(zhǎng)石膏的初凝、終凝時(shí)間。已有研究表明，石膏晶體的微觀結(jié)構(gòu)主要為縱橫交錯(cuò)地交織在一起的細(xì)長(zhǎng)針狀晶體，檸檬酸的濃度增加會(huì)影響石膏的晶體形態(tài)，使得石膏晶體的針狀特征消失，全部變成短柱狀，且尺寸明顯粗化，晶體之間空隙增大，由此導(dǎo)致晶體之間的搭接大大削弱，結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)變得松散，從而使硬化體的孔結(jié)構(gòu)劣化[11-12]，宏觀上則表現(xiàn)為強(qiáng)度急劇下降。這充分說明，高檸檬酸濃度是石膏復(fù)合板抗折強(qiáng)度大幅度下降的原因。

圖1 木絲石膏復(fù)合板抗折強(qiáng)度的殘差分布

“水膏比”為m(水)∶m(石膏粉)；“木絲添加量”為按照添加木絲的質(zhì)量比例計(jì)算，即添加木絲的質(zhì)量占總體混合物質(zhì)量的比例——木絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)；“檸檬酸添加量”為按照添加檸檬酸的質(zhì)量比例計(jì)算，即添加檸檬酸的質(zhì)量占總體混合物質(zhì)量的比例——檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

利用設(shè)計(jì)專家(Design-Expert)軟件優(yōu)化板材制備試驗(yàn)條件，根據(jù)實(shí)際情況確定每個(gè)因素的可取值范圍：水膏比(m(水)∶m(石膏粉))為0.7∶1.0～1.3∶1.0，木絲添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0～20%，檸檬酸添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0～0.1%。得到木絲石膏復(fù)合板的最優(yōu)工藝參數(shù)：水膏比(m(水)∶m(石膏粉))為0.7∶1.0，木絲添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為20%，檸檬酸添加量為0(不添加檸檬酸)，抗折強(qiáng)度最大為8.89 MPa。

2.2 木絲增強(qiáng)石膏復(fù)合板的握螺釘力

對(duì)木絲增強(qiáng)石膏復(fù)合板的握螺釘力，運(yùn)用模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(見表6)。由表6可見：二次方程的相關(guān)系數(shù)(R2)高達(dá)0.978 0，預(yù)測(cè)誤差平方和值比其他模型更小，所以推薦選用二次方程模型：Y=1 101.511 11-1 564.661 62A+24.351 21B+225.575 76C-11.416 67AB+533.333 33AC-39.000 00BC+641.414 14A2-0.197 73B2-9 109.090 91C2。式中：Y為握螺釘力，A為水膏比(為m(水)∶m(石膏粉))，B為木絲添加量，C為檸檬酸添加量。

由表7可見：模型的P<0.01，且失擬項(xiàng)P>0.05，說明二次方程模型具有顯著性，能夠在回歸區(qū)域內(nèi)取得良好的擬合效果。在木絲石膏復(fù)合板握螺釘力的影響因素中，水膏比(m(水)∶m(石膏粉))、木絲添加量、檸檬酸添加量的影響極顯著(P<0.01)；二次項(xiàng)中，A×B的影響極顯著(P<0.01)、B×C的影響顯著(P<0.05)、A×C的影響不顯著。對(duì)木絲石膏復(fù)合板的握螺釘力信噪比分析結(jié)果表明：二次方程相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.978 0，模型相關(guān)性良好；校正相關(guān)系數(shù)達(dá)0.958 3、預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)0.878 5，兩者數(shù)值較高，且兩值之差小于0.2，說明模型能夠充分反映木絲石膏復(fù)合板的工藝過程，不存在其他因素的顯著性影響；精密度值為27.726，遠(yuǎn)大于4，說明模型精確度高。

表6 木絲石膏復(fù)合板握螺釘力的模型統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

表7 木絲石膏復(fù)合板握螺釘力的方差分析結(jié)果

由木絲石膏復(fù)合板握螺釘力的殘差分布結(jié)果(見圖3)可見，模型擬合木絲石膏復(fù)合板的握螺釘力具有較好適應(yīng)性。

木絲增強(qiáng)石膏板中水膏比(m(水)∶m(石膏粉))、木絲添加量、檸檬酸添加量的交互作用，對(duì)木絲石膏復(fù)合板握螺釘力影響的等高線圖和三維立體響應(yīng)曲面(見圖4)與圖2相似。圖4中二維等高線圖均呈橢圓形，反映了“水膏比(m(水)∶m(石膏粉))和木絲添加量”、“木絲添加量和檸檬酸添加量”、“水膏比(m(水)∶m(石膏粉))和檸檬酸添加量”3組因素之間的交互作用顯著。由圖4(a)可見，握螺釘力隨著水膏比(m(水)∶m(石膏粉))的減小和木絲添加量的增大而增大。由圖4(b)、圖4(c)可見，降低檸檬酸添加量的同時(shí)增加木絲添加量，或同時(shí)降低檸檬酸添加量和水膏比(m(水)∶m(石膏粉))，木絲石膏復(fù)合板的握螺釘力增大。這是因?yàn)槟窘z本身抗拉強(qiáng)度較高，增大其用量可以形成交聯(lián)網(wǎng)狀互鎖結(jié)構(gòu)。

利用設(shè)計(jì)專家(Design-Expert)軟件得到木絲石膏復(fù)合板的優(yōu)化工藝參數(shù)：水膏比(m(水)∶m(石膏粉))為0.7∶1.0，木絲添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為20%，檸檬酸添加量為0(不添加檸檬酸)，握螺釘力最大為568.64 N。

2.3 純石膏板與木絲增強(qiáng)石膏復(fù)合板的微觀結(jié)構(gòu)

由圖5(a)可見：石膏晶體主要為長(zhǎng)徑比較大的針棒狀，晶體之間彼此交錯(cuò)搭接，結(jié)構(gòu)較為松散，且有大量空隙。由圖5(b)可見：當(dāng)石膏中添加木絲作為增強(qiáng)材料后，木絲表面附著均勻細(xì)長(zhǎng)、排列整齊、針狀和短柱狀的石膏晶體，2種形態(tài)的晶體之間相互搭接，形成較為致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。板材內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)完整、緊密的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。這是因?yàn)榫哂杏H水性羥基的木絲表面，可以吸收和保留部分游離水，在石膏的水化過程中，游離水的存在有利于晶體在木絲表面沉淀和生長(zhǎng)，晶體間相互搭接形成密實(shí)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[13]。木絲表面與石膏基質(zhì)之間形成的互鎖效應(yīng)，可明顯提升石膏板的力學(xué)性能，對(duì)木絲增強(qiáng)石膏復(fù)合板的研發(fā)提供了很好的參考和借鑒。

圖3 木絲石膏復(fù)合板握螺釘力的殘差分布

“水膏比”為m(水)∶m(石膏粉)；“木絲添加量”為按照添加木絲的質(zhì)量比例計(jì)算，即添加木絲的質(zhì)量占總體混合物質(zhì)量的比例——木絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)；“檸檬酸添加量”為按照添加檸檬酸的質(zhì)量比例計(jì)算，即添加檸檬酸的質(zhì)量占總體混合物質(zhì)量的比例——檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖5 木絲石膏板表面微觀形態(tài)

3 結(jié)論

通過方差分析及顯著性評(píng)價(jià)可知，水膏比(m(水)∶m(石膏粉))、木絲添加量、檸檬酸添加量交互作用，對(duì)抗折強(qiáng)度、握螺釘力均有影響，3者影響力由大到小依次為水膏比(m(水)∶m(石膏粉))、木絲添加量、檸檬酸添加量。增大木絲添加量，降低水膏比(m(水)∶m(石膏粉))、檸檬酸添加量，可有效提升木絲增強(qiáng)石膏板的抗折強(qiáng)度和握螺釘力。

對(duì)木絲增強(qiáng)石膏板抗折強(qiáng)度和握螺釘力進(jìn)行回歸分析，得到木絲增強(qiáng)石膏板各因素優(yōu)化工藝參數(shù)：水膏比(m(水)∶m(石膏粉))為0.7∶1.0，木絲添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為20%，檸檬酸添加量為0(不添加檸檬酸)。優(yōu)化木絲增強(qiáng)石膏板的抗折強(qiáng)度為8.89 MPa、握螺釘力為580 N，與純石膏板相比，分別提升48.17%、79.95%。

對(duì)純石膏板與木絲增強(qiáng)石膏板的微觀形貌進(jìn)行分析，木絲作為增強(qiáng)材料添加至石膏中改變了板材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，木絲與石膏基質(zhì)形成較為致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和互鎖效應(yīng)，提升了板材的物理力學(xué)性能。